PNAS:对照和癫痫条件下海马代谢的时空异质性| 脑科学顶刊导读95期

科技工作者之家 04月06日

1,对照和癫痫条件下海马代谢的时空异质性

2,单分子原位杂交揭示了精神分裂症风险相关转录本SNX19和AS3MT在人脑中的不同定位

3,脑小血管病患者的淡漠症状与基于努力的决策缺陷有关

4,一种快速映射脑卒中剩余功能网络函数的贝叶斯最优化方法

5,颞叶癫痫的不典型的神经拓扑构成功能障碍的模式分离

1,对照和癫痫条件下海马代谢的时空异质性

期刊:PNAS

作者:Sybil

特定的代谢通路是否会在特定任务下在不同脑区被优选募集?如果根据给定的结构-功能关系定制能量的产生,是否能量的产生会伴随着功能状态的变化?能量的产生,特别是氧化磷酸化和有氧糖酵解的各自贡献,在一天中的对照和癫痫发作中是否会有所不同?针对这三个问题,本文研究者选择了海马脑区在癫痫状态下的能量代谢情况作为研究对象。背侧海马部分参与空间学习和记忆过程,腹侧海马则涉及动机和情绪行为,而这些功能是具有昼夜节律调节的,特别是位置细胞特性和长期突触可塑性以及记忆和学习过程。

此外,癫痫病的不同类型与大量的代谢和生物能改变有关。本研究结果显示能量的产生(糖酵解与氧化磷酸化作用)在对照小鼠体内以昼夜节律的方式沿背腹轴变化,而这一规律在诱发癫痫状态中有所改变。因此,也许可以根据海马亚区所执行的功能和一天中的时间来定向控制能量的产生,而在癫痫状态下的变化可能会导致癫痫发作和认知缺陷。

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33692123/

2,单分子原位杂交揭示了精神分裂症风险相关转录本SNX19和AS3MT在人脑中的不同定位

期刊:Molecular Psychiatry

作者:Роза

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人DLPFC中细胞类型的比例

全基因组关联研究已经确定了与精神分裂症风险相关的单核苷酸多态性single nucleotide polymorphisms, SNPs。整合来自人类死后大脑的RNA测序数据和这些险SNPs可以确定与精神分裂症易感性增加相关的转录因子,包括Sorting nexin-19的外显子9剪接亚型a class of exon 9-spliced isoforms of Sorting nexin-19, SNX19d9和砷甲基转移酶的外显子23剪接亚型Arsenic methyltransferase splicing out exons 2 and 3, AS3MTd2d3。然而,这些转录变异的生物学功能尚不清楚。

定义这些风险转录因子主要表达的细胞类型是理解功能的重要步骤,以便于在后续研究中优先确定特定的细胞类型和/或神经通路。为了确定SNX19AS3MT在人类背外侧前额叶皮层dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC的细胞类型特异性定位,研究使用单分子原位杂交技术结合自动量化和机器学习方法分析了10个典型神经个体死后的大脑。

这些分析表明,pan-SNX19pan-AS3MTDLPFC II/IIIVI层的神经元中均比非神经元高表达。此外,pan-SNX19在谷氨酸能神经元中优先表达,而pan-AS3MT在GABA能神经元中优先表达。最后,利用双Basescope技术,描述了SNX19d9AS3MTd2d3剪接变异体的定位,揭示了pan-转录体和精神分裂症风险相关转录变异体空间基因表达的一致趋势。

这些发现表明精神分裂症风险转录本在健康人脑中具有独特的定位模式,提示SNX19转录本可能破坏谷氨酸能神经元的正常功能,而AS3MT可能导致精神分裂症病理生理学中的GABA能系统紊乱。

3,脑小血管病患者的淡漠症状与基于努力的决策缺陷有关

期刊:Brain

作者:Chole Fu20210408035845_5ca375.jpg

图1 基于努力决策为回报的漂移扩散模型

脑小血管病患者经常伴发以淡漠为症状的神经精神综合征,这其中的基础机制尚不清楚。本文提出淡漠与基于努力的决策有关的假设,这种症状与决策相关的白质网络异常有关。

我们收集了82名MRI显示存在脑小血管病的患者,进行行为范式测试,并接受扩散加权磁共振成像检测。基于努力的决策任务包括在执行不同程度的体力任务之后是否接受或拒绝金钱奖励。选择的结果和响应时间被整合进一个漂移扩散模型(图1),接受或拒绝的决策看为接近决策边界的随机过程,并以漂移率作为评估指标。在解释抑郁症时,基于纤维束的空间统计被用于评估白质纤维完整性和淡漠症状间的关系。

整体而言,淡漠患者在决策任务中表现出较少的努力输出。值得注意的是,淡漠患者不但对低奖励表现出较低的反应,他们也不愿意在大体力的输出上做出努力。淡漠患者中被观察到白质完整度的显著降低,但在抑郁症患者中未被发现。在健康人群的研究发现,这些受累的通路连接的脑区与决策过程相关(图2)。决策参数的漂移率与淡漠症状和白质束的改变呈显著相关性。这表明淡漠相关的脑和行为的改变均与这个参数相关。在另一方面,抑郁症与决策边界的增加有关,这与在做出决定之前需要增加证据数量相一致。

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图2 各向异性分数降低的纤维束与淡漠症状有关

本研究结果表明,淡漠患者在基于努力的决策过程中出现异常,并强调了淡漠和抑郁症状在脑小血管疾病中基本机制存在差异性。本研究为未来的治疗干预提供了清晰的潜在脑和行为学的靶点,同时模型参数能被用来衡量行为水平的治疗疗效。

4,一种快速映射脑卒中剩余功能网络函数的贝叶斯最优化方法

期刊:Brain

作者:Chole Fu

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本研究的方法学流程图

卒中后认知和语言损伤的治疗方式有限。通用领域脑网络(例如,额顶网络)对卒中后的恢复起着重要作用,并且应用功能核磁共振(fMRI)能找到剩余的功能网络,则有潜力产生引导患者功能恢复的生物标记物。然而,这种方法具有挑战性,例如在实时扫描时,获得详细的特征需要测试患者测试大量的认知任务,这会导致实验过程特别长。因此,在目前的临床影像的实验研究中,都是基于患者进行有限的认知任务,进而揭示整个队列的有效影像生物标记物。

为了使用多个认知任务在患者个体水平快速刻画剩余网络活动的特征,先进的任务态fMRI生物标记物的发现需要经过范式的转换。本研究通过利用神经适应的贝叶斯最优化法克服了以上困难。贝叶斯最优化是一个种结合实时fMRI和机器学习的方法:通过智能地在众多任务中搜寻,快速地找出剩余通用领域功能的患者特异性信息。

我们使用这个方法在一个横断面研究中,测试了11例左侧半球卒中伴有慢性失语的患者和14名年龄匹配的健康受试者。为了评估在被试间获得的功能信息的可靠性,每个被试分别进行2次独立测试,所用算法被完全重新初始化。我们的结果表明上述技术兼具可行性和稳健性,能产生可靠的患者特异性的功能信息。结果展示的组水平结果不能代表患者特异性的结果:对照组具有很相似的个体信息;而患者组则表现出网络异常的异质结果,并且与行为表现相关。

总之,我们的研究强调了超越传统的通用方法的重要性,传统方法将所有患者放在一个组里使用同一种任务进行研究是不合理的。我们的方法可以扩展到其他脑网络,并能和脑刺激或其他治疗方法相结合,从而为大量神经和精神疾病的精准治疗开辟了新道路。

5,颞叶癫痫的不典型的神经拓扑构成功能障碍的模式分离

期刊:Brain

作者:Chole Fu

情景记忆是一种精准回忆我们过去事件的能力。模式分离的处理被认为是基于这种能力进行的,模式分离是指正交化记忆踪迹从而以最大化独特特征的能力。当代认知神经科学认为这种分离模式涉及海马和新皮层的复杂交互。为验证这个假说,本研究以健康对照和颞叶内侧癫痫(TLE)患者为研究对象,TLE患者存在海马的结构异常。所有参与者检索记忆中的物品目标以及有共同特征的混淆物,并采用功能磁共振影像进行神经活动的检测和比较。

行为学分析表明,与正常人相比,TLE患者分辨混淆物体能力较差,模式分离减低。为了评估海马和新皮层间神经模式的假设关系,我们定义了新皮层和海马亚区表面的内在连接的拓扑梯度,以及神经活动伴随模式分离的拓扑轮廓。健康者的模式分离遵循着神经活动的分级模式,均沿着海马长轴和新皮层分级从单一模式到跨模式区域。然而,在TLE患者中,任务态的功能激活和拓扑梯度的一致性显著降低。而且,在患者和对照中的任务活动和连接梯度间一致性的个体化衡量与模式分离和情景记忆的行为测量的个体间差异有关。这强调了所观察的拓扑图形的功能相关性。

我们的结果与现有的研究结论一致,成功区分相似特征的记忆需要从感觉系统转移到神经活动的位点,这种模式是沿着海马长轴和新皮层分级反应出来。我们的研究使用内在连接梯度捕获了情景记忆处理的功能机制,并以一种对病理重组敏感的方式建立了拓扑图形。

校审:Freyabrainnews编辑部)

题图:Singularity Hub

来源:brainnews

原文链接:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2ODEyOTE3OQ==&mid=2649591087&idx=4&sn=952f9273582f75c813107a1f1db2dce6

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神经 精神分裂症 海马 异质性

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